基于最优转矩控制六相永磁容错电机故障补救策略的仿真研究

为了满足航空电力作动系统高可靠性的要求,介绍了一种六相永磁容错电机驱动系统的拓扑结构。在介绍其结构特点的基础上,分析驱动电路电气故障,通过电路等效原理将功率管开路、短路和电机绕组短路故障转化为电机绕组开路故障,最后根据功率守恒原则,提出了基于最优转矩控制的故障补救策略,旨在当电机发生开路故障时,能够产生同正常运行时相同的输出转矩,以及最小的转矩脉动和铜耗。Matlab仿真结果表明当电机发生一相或两相开路故障时,系统输出转矩基本不变,从而验证了研究的最优转矩控制策略的可行性。     

基于解耦调制方式的共直流母线开绕组永磁电机容错控制

为了实现共直流母线开绕组系统中发生逆变器桥臂开路故障时的容错运行,同时提高容错模式下的电压利用率,根据开绕组拓扑结构的冗余性,提出一种基于中间六边形调制的共直流母线开绕组容错拓扑结构,有效提高了容错运行能力。在此基础上,通过解耦调制的引入,建立2种新型容错拓扑结构与相应的解耦角度的内在联系,提出统一的容错调制策略,在满足不同故障类型容错运行需求的同时,提高了容错运行时的直流电压利用率,拓宽了电机系统调速范围。通过构建共直流母线开绕组系统实验平台,对所提出的共直流母线开绕组电机驱动系统容错控制策略进行实验研究。理论分析和实验验证了所提策略的有效性。     

电动汽车驱动一体化系统牵引模式下逆变器的开路容错控制策略

提出了一种电动汽车驱动与充电一体化系统的拓扑结构,该一体化拓扑在牵引模式下等效于一个双向DC/DC变换器和三相3H桥逆变器,PMSM开绕组。为提高电机驱动系统的高可靠性,在分析开绕组PMSM数学模型的基础上,从具有故障容错功能的控制策略方面入手针对三相3H桥逆变器进行了研究,分析了三相3H桥逆变器的故障类型,并针对故障相开路的两相2H桥逆变器提出了一种两相滞环PWM调制策略。实验结果表明,驱动与充电一体化系统在牵引模式下,如果三相3H桥逆变器发生故障,通过逆变器的拓扑重构,能够实现PMSM系统的良好运行性能。     

单逆变器驱动双永磁同步电机断相容错控制策略

为保障单逆变器控制双表贴式永磁同步电机(surface-mountedpermanentmagnetsynchronousmotor,SPMSM)在发生断相故障后系统的安全可靠运行,该文提出一种单逆变器表贴式双永磁同步电机系统绕组断相故障容错控制策略。首先根据断相后的电机电压电流关系,设计一种用于单逆变器双永磁同步电机的绕组断相故障容错拓扑。在此基础上,为保证双永磁同步电机系统稳定运行,利用端口电压调整策略,满足双永磁同步电机的拓扑约束。仿真和实验结果表明,所提容错控制策略可确保单逆变器控制双电机系统在某一电机发生断相故障时仍然稳定运行。     

开绕组电机系统拓扑及控制技术研究综述

开绕组电机系统是将常规电机的绕组中性点打开,两端各串接一个变换器而形成的一种双端供电的新型电机系统拓扑结构。开绕组电机系统具有输出功率高、供电模式和电压矢量调制方式多样、控制灵活、冗余性和容错性强等优异特性,在高功率、大容量、宽运行范围场合具有广阔的应用前景。通过对开绕组电机系统在国内外的研究和发展现状进行了分析和总结,介绍了开绕组电机系统的多种拓扑结构及其多电平特性,对开绕组电机系统的控制技术进行了全面综述,总结了开绕组电机系统的特性,讨论了其未来的发展趋势。     

具有升压和容错功能的开绕组感应电机驱动系统

为了提高电机驱动系统的可靠性和安全性,提出一种具有单级升压和容错功能的开绕组感应电机驱动系统。驱动系统运行的拓扑由阻抗源网络和3-H桥逆变器结合而成,既能实现单级升压又能在变流器发生故障下容错运行。根据直通零矢量插入原则以及3-H桥逆变器的调制策略,详细分析了单级升压3-H桥逆变器正常运行以及容错运行时的空间矢量脉宽调制方法。最后通过搭建的开绕组感应电机实验平台,验证了单级升压3-H桥逆变器调制策略的正确性以及开绕组感应电机驱动系统具有升压和容错功能。     

电动汽车用六相永磁同步容错电机设计

针对传统三相永磁同步电机在发生故障下无法正常运行,设计了适用于电动汽车多相永磁同步容错电机,并分析了容错控制策略。根据电机性能指标,进行尺寸、永磁体、绕组等设计;在Maxwell有限元软件中建立仿真模型并进行分析。采用H桥拓扑电路,当电机绕组或逆变器发生短路、断路故障后,通过检测电流变化后直接切断母线上的开关,使所有故障都转换为电机缺相故障。仿真结果表明,当电机发生缺相故障后,转矩脉动增大,输出转矩减少,采用容错控制策略后,输出转矩略有减少,转矩脉动明显降低,从而验证容错控制策略的可行性以及该电机设计的合理性。     

五相容错双凸极发电机单相短路故障分析

对五相容错电励磁双凸极发电机(doubly salient electro- magnet generator,DSEG)的结构特点进行了理论分析。研究了电机空载运行时短路相的自感和电势,分析了短路故障对其他相磁链和电势的影响以及发生短路故障时电机的整流输出电势。对电机在不同励磁电流下加载运行时发生单相绕组短路故障的外特性、功率特性以及短路电流进行了分析。在考虑电枢绕组电阻的情况下,对电机空载运行时在4 个不同时刻发生单相短路故障时的磁场、短路相磁链和短路电流进行了有限元分析。分析结果表明：短路故障发生初始时刻,短路相磁链随着电机转子位置的不同而不同;经过54°电角度后,短路相磁链的最大、最小值和变化趋势与发生短路的时刻无关。最后通过对一台五相20/16-2 结构DSEG 样机进行实验,验证了理论分析的正确性。     

开绕组永磁同步发电机的容错控制

为实现开绕组永磁同步发电机(PMSG)在变流器故障下的容错运行,本文通过分析开绕组PMSG系统变流器存在的故障类型,建立容错故障状态下开绕组PMSG的数学模型,通过研究不同故障状态下两个变流器的电压矢量分布,给出了开绕组PMSG变流器容错运行所需的电压空间矢量分配机制,进而提出每种故障状态下的开绕组PMSG控制策略。最后通过搭建的开绕组永磁电机实验平台,验证了所提出容错运行方案的可行性。     

电动汽车一体化驱动系统三相3H桥逆变器的故障相短接容错控制策略

具有车载型充电器的电动汽车拥有相互独立的电机驱动系统与电池充电装置,针对两套装置并不同时工作,成本高、重量大、占据空间资源较大等问题,提出了一种电动汽车驱动与充电一体化的新型拓扑结构,在牵引模式下该一体化拓扑的主要驱动模块等效于一个三相3H桥逆变器。研究该逆变器的电压空间矢量与消除共模电压的控制策略,分析开绕组PMSM在不同坐标系下的数学模型,给出逆变器发生桥臂开关管开路或者短路故障时将故障相短接的重构拓扑与容错控制策略,在转速、电流双闭环控制的基础上,设计"重复控制+PI"的电流内环控制方案,提出一种两相SVPWM控制策略,分析三相2H桥逆变器电压矢量状态切换过程,提出一种改进的七段式两相SVPWM控制策略。仿真和实验结果表明,如果三相3H桥逆变器发生短路故障,一体化系统通过逆变器的拓扑重构,能够实现PMSM系统的良好运行性能。     

不同绕组连接方式下的六相永磁同步电动机MT容错控制

多自由度使多相电机具备了优异的容错能力。本文针对单中性点、双中性点及开端绕组结构的六相永磁同步电机,以缺相容错运行时输出转矩最大为目标,提出一种适用于不同绕组结构电机的容错电流计算通用表达式。通过对六相永磁同步电机缺一相故障状态下的自由度进行分析,计算了不同定子绕组结构下的容错电流,并给出相应的控制方法。对比三种不同绕组结构电机容错运行时的带载能力,开端绕组结构的六相永磁同步电机缺相容错运行时输出转矩最大。利用Matlab/Simulink建立了六相永磁同步电机模型及其控制系统,验证了计算结果的有效性。     

五相永磁同步电机缺相运行的建模与控制

为提高五相永磁同步电机(PMSM)控制系统的可靠性,减小定子绕组发生开路故障时电机输出转矩的脉动分量,提出了五相PMSM缺相运行时的容错控制策略。从矢量空间解耦的角度,建立了含有3次谐波磁场的五相PMSM缺相运行时的数学模型。根据瞬时功率守恒原理,对故障前后的电磁转矩进行分析,提出了平均转矩保持不变的容错控制策略,通过重新分配各相电流的幅值和相位,实现了控制系统的满负荷运行;为了使电机在缺相故障时仍能提供平滑转矩,提出了脉动转矩保持为零的容错控制策略,实现了控制系统的无扰运行。采用转子磁场定向的方法,通过对旋转坐标系下的交直轴电流和零序电流进行控制,实现了对电机输出转矩的补偿。实验结果表明,所提出的容错控制算法能够有效改善五相PMSM在定子绕组发生开路故障时的运行性能。     

一种永磁同步电机失磁故障容错预测控制算法

针对永磁同步电机失磁故障导致牵引系统带负载能力降低的问题,提出一种基于磁链在线检测容错预测控制算法。首先,根据永磁同步电机预测控制模型,详细分析了永磁体发生失磁故障对电流控制和电机运行状态的影响。其次,设计了基于滑模变结构的观测器,利用滑模变结构等值控制原理,建立了实时估计永磁体磁链算式。通过永磁体磁链算式,进而计算状态电流观测值。最后,提出了容错预测控制算法。该算法将状态电流观测值作为反馈量输入到容错预测控制器中,以使响应电流准确跟踪给定电流,从而达到容错控制的目的。通过仿真及实验验证,证明了所提算法的可行性和有效性。     

开式绕组无刷直流电机导通模式研究

三相无刷直流电机(BLDCM)广泛应用在电驱动领域。传统星形连接和三角形连接的BLDCM绕组之间存在中性点,导致电机转矩脉动和可靠性较差。提出一种将开式绕组应用于三相BLDCM的系统,介绍了开式绕组BLDCM的电路拓扑结构和8种导通模式,分析了开式绕组三相BLDCM的电磁方程,建立开式绕组BLDCM的MATLAB仿真模型,仿真开式绕组BLDCM在8种导通模式下的电流、转矩、转速波形。加工样机并设计试验平台,测试开式绕组BLDCM在两相导通六状态运行模式下的性能,与星形连接BLDCM相比,开式绕组BLDCM调速范围更广、换相转矩脉动减少、机械特性曲线相近。     

屏蔽套材料对屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场的影响研究

针对单向耦合法分析屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场时计算精度低的问题,提出了一种磁热双向耦合法。首先,建立了磁热耦合计算模型。其次,采用双向耦合法分析了屏蔽套材料对电机性能的影响,并与单向耦合计算结果进行了比较。最后,建立了电机三维模型,利用有限元软件进行了电磁场和三维温度场分析。研究结果表明所提的磁热双向耦合计算方法可以有效提高电磁场和温度场的计算精度,此外屏蔽套采用不导电不导磁材料可有效提高屏蔽式永磁同步电机效率,降低电机温升。这不仅为屏蔽式永磁同步电机的设计提供了参考,同时对于保证电机高效和可靠运行具有重要意义。     

五相U型永磁凸极直线电机对比分析

针对直线电机垂直提升系统(LMVHS)无绳化直驱运行,对高容错性、大推力密度的新型直线电机的迫切需求,提出一种五相U型永磁凸极直线电机(FU-PMSPLM),初级设置五相绕组以提高电机容错运行能力,次级永磁体采用U型结构以提高永磁利用率。首先,从降低漏磁角度,分析了U型磁极结构演化机理,并给出电机主要结构参数;其次,采用有限元法对比分析了电机次级永磁体采用U型与Halbach结构的电磁特性,并基于磁动势不变原则,以A相缺相故障为例,与三相U型永磁凸极直线电机(TU-PMSPLM)对比分析了容错性能;最后,制作实验样机并进行实验验证,样机实测与仿真结果基本一致。研究表明,等永磁体用量时,次级采用U型结构较Halbach结构,气隙磁通密度幅值增大13.89%,平均推力提高7.54%,推力波动降低25.07%;FU-PMSPLM较TU-PMSPLM具有更好的缺相运行能力。     

一种非对称混合式永磁同步电机设计与分析

针对传统内置式永磁同步电机磁阻转矩与永磁转矩不是在相同电流相位角下达到最大,不能最有效的利用磁阻转矩与永磁转矩的问题,提出了一种新型非对称转子结构永磁同步电机设计方案,电机输出转矩和减小转矩脉动。首先,一种不对称转子结构,通过使转子不对称,使磁阻转矩和永磁转矩在相近电流相位角下达到最大,从而提高输出转矩。其次,为衡量转矩利用率,引入转矩利用率因子,利用冻结磁导率法将电磁转矩分解为磁阻转矩和永磁转矩两部分,运用有限元确定表面磁极最佳偏移角θ;最后,对提出的新型非对称转子结构永磁同步电机进行电磁性能分析,在不增加材料与制造成本的情况下,电机最大输出转矩增加7.52%,转矩脉动减小39.15%。     

多相永磁同步电机磁场解析建模与容错性能分析

为了快速、准确计算多相永磁同步电机(PMSM)在一相或多相绕组故障发生时的容错运行能力,基于傅里叶级数分析方法,在二维极坐标系下建立了多相内转子表贴式永磁同步电机（SPMSM）绕组缺相不对称运行下的空载、负载磁场解析计算模型,并对气隙磁密、空载反电动势(EMF)以及电磁输出转矩等性能参数进行准确计算。设计制作一台44极48槽12相船舶用内转子SPMSM,并通过有限元分析和试验测试对磁场解析模型的准确性进行了验证。在此基础上,为了提高多相电机的容错能力,以最小等值相电流为优化目标,建立了多相电机驱动系统一相绕组开路故障容错控制策略,并以电磁输出转矩、转矩脉动等性能参数为考核指标,对12相SPMSM的容错性能进行了深入分析,进一步提高电机驱动系统的可靠性。     

Wide-speed operation of interior permanent magnet synchronousmotors with high-performance current regulator

Interior permanent magnet synchronous motors can be applied to applications requiring wide-speed operation. The current vector control algorithm of an interior permanent magnet synchronous (IPM) motor for constant power operation over the base speed is proposed. As the available voltage controlling the armature current vector is small in the flux-weakening constant power region, the current vector sometimes becomes uncontrollable in transient operations because of the current regulator saturation. The high-performance current regulator is also proposed to improve the current responses in the flux-weakening region, which includes the decoupling current controller and the voltage command compensator. The control performances are confirmed by several drive tests with respect to the prototype IPM motor     

少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机性能和材料成本研究

稀土永磁同步电机性能优越,但稀土永磁材料价格昂贵导致电机成本增加。因此,提出了一种新型少稀土永磁同步电机,其永磁体采用组合磁极Halbach结构。分析了少稀土组合磁极永磁同步电机的结构特点,并在此基础上,提出了少稀土T型、HAT型和LREH型三种组合磁极Halbach永磁同步电机拓扑结构。从电机空载反电动势、空载齿槽转矩和额定负载电磁转矩等方面分析了三种拓扑结构少稀土永磁同步电机,并与稀土永磁同步电机进行对比分析。在等转矩条件下研究了钕铁硼和铁氧体两种永磁体厚度对少稀土组合磁极永磁同步电机材料成本的影响。对比分析了稀土永磁同步电机和三种少稀土永磁同步电机的材料成本。有限元仿真结果表明LREH型少稀土组合磁极Halbach永磁同步电机具有更好的转矩性能和更低的材料成本。